Після перемоги Лютневої революції Володимир Петрович приєднався до більшовиків. Був обраний до Печерського районного комітету РСДРП(б), потім до Київського міського комітету партії, у травні став членом місцевої ради робітничих депутатів, делегувався більшовиками в критичних обставинах до Української Центральної Ради.
У жовтневі дні 1917 р. В. Затонський став однією з ключових особистостей, від позиції яких залежав перебіг подій у Києві. Після одержання повідомлення про повалення Тимчасового уряду з ініціативи Центральної Ради було утворено Крайовий комітет охорони революції, до складу якого ввійшли й більшовики Г. П'ятаков, В. Затонський і І. Крейсберг. Останні сподівалися, що їм вдасться переконати інші політичні сили стати на заваді перекиданню з Південно-Західного і Румунського фронтів військових частин у революційні центри Росії і тим допомогти зміцненню позицій Радянської влади.
Однак уже 26 жовтня Мала Рада ухвалила засудити повстання в Петербурзі і рішуче боротися зі спробами його підтримки в Україні. Тоді В. Затонський від імені більшовиків заявив: «Усі наші симпатії, само собою зрозуміло, на боці повсталого петроградського пролетаріату. І якщо ми ввійшли у Центральну Раду, то аж ніяк не для того, щоб відрікатися від своїх переконань». Оскільки Рада відмовилася від даних напередодні обіцянок не пропускати війська на придушення повстання в столицях, представник РСДРП(б) заявив про вихід разом з колегами зі складу коаліційного органу, закінчивши «недовгий роман з радою».
27 жовтня на об'єднаному засіданні Ради робітничих і Ради військових депутатів за участі представників військових частин, профспілок було прийнято більшовицьку резолюцію на підтримку Жовтневого перевороту в Петрограді, а також створений революційний комітет, до складу якого увійшли Г. П'ятаков, В. Затонський, І. Крейсберг, І. Кулик, А. Іванов, Я. Гамарник та ін. Цьому органу планувалося передати владу в Києві. Однак супротивники виявилися мобільнішими й оперативно заарештували членів ВРК, ув'язнили їх у Маріїнському палаці. На волі залишалися лише хворий А. Іванов та В. Затонський, що уник арешту через випадковість. Вони удвох і ініціювали створення нового ревкому, до якого, крім них, увійшли О. Горвіц, І. Кудрін, А. Карпенко та ін.
29 жовтня 1917 р. на заклик новоствореного ревкому розпочалося повстання, центром якого стали завод «Арсенал» і 3-й авіапарк. В. Затонський виконував відповідальні агітаційно-мобілізаційні доручення і водночас домагався від Центральної Ради звільнення заарештованих колег. Заручникам таки вдалося повернути свободу. А в результаті повстання сили штабу Київського військового округу, які найенергійніше протистояли прибічникам революції, зазнали поразки і почали залишати місто.
Проте ключові позиції Києва перейшли під контроль українізованих частин, вірних Центральній Раді, яка, тонко маневруючи, змогла скористатися з ситуації протистояння на власну користь, проголосила себе вищою владою в місті і в Україні в цілому. 7 листопада Третім Універсалом було проголошено створення Української Народної Республіки.
Витративши сили на боротьбу з військами штабу КВО, більшовики не змогли ефективно протистояти Центральній Раді, визнали її верховною владою в краї, хоча наполягали на тому, що на місцях влада має належати Радам робітничих, солдатських і селянських депутатів.
У листопаді 1917 р. В. Затонський був обраний секретарем Київського комітету РСДРП(б), оскільки Г. П'ятаков був викликаний Центральним Комітетом більшовиків на роботу до Петрограда. Новообраному керівнику довелося відразу ж поринути у вир бурхливих подій, взятися за розв'язання низки проблем, які справді були новими, не мали ніяких прикладів для наслідування. Так, намагаючись знайти важелі протидії українським партіям, більшовики Києва задумалися над тим, чи не створити свою національну комуністичну організацію, об'єднати місцеві осередки в загальноукраїнському масштабі. Відтак В. Затонський разом з колегами, з відома міського комітету РСДРП(б) і від імені організаційного комітету соціал-демократії України (більшовиків українців) (чи створювався такий насправді, і якщо створювався, то ким – невідомо) видав українською мовою листівку «Соціал-демократія України (більшовики українці)». Листівка закликала до створення «нової партії українських більшовиків», запрошуючи до її лав також «соціалістичну частину існуючих українських партій». Автори документа висловлювали надію, що «російські, польські та інші більшовики, проживаючи на Україні», ввійдуть до її складу на правах фракцій. Направлена в різні місця України листівка не знайшла широкого відгуку в партійному середовищі. А обласний (крайовий) з'їзд РСДРП, який відбувся З – 5 грудня 1917 р., навіть знайшов за потрібне винести Київському комітету більшовиків осуд. Однак В. Затонський виявився однією з ключових постатей крайового з'їзду, робив доповіді з основних питань. Після дискусій на його пропозицію було ухвалено назвати новостворене партійне об'єднання —